Estudio de la fractura a compresión de hueso trabecular sano, osteoporótico y artrósico procedente de cabezas femorales humanas

• R. Megías ^[1] ; R. Belda ^{[1] [2]} ; A. Vercher-Martínez ^[1] ; E. Giner ^[1]
  1. [1] Universidad Politécnica de Valencia

     Universidad Politécnica de Valencia

     Valencia, España

     
  2. [2] Departamento de Ingeniería Mecánica, Universidad Carlos III Madrid, Leganes, España
• Localización: Revista española de mecánica de la fractura, ISSN-e 2792-4246, Nº. 5, 2023, págs. 21-26
• Idioma: español
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• Resumen
  • español

    En el presente trabajo, se ha estudiado el comportamiento mecánico del hueso trabecular mediante la realización de ensayos experimentales de muestras a compresión y sus modelos de elementos finitos. Las muestras proceden de cabezas femorales humanas divididas en tres grupos de estudio que son grupo sano (GS), grupo osteoporótico (GO) y grupo artrósico (GA). Las muestras óseas se han ensayado en la dirección estimada más rígida y se han sometido a cargas de compresión cuasiestática hasta producir la fractura. La respuesta obtenida en los ensayos experimentales ha permitido calibrar los modelos numéricos, pudiendo estimar el módulo de Young del tejido óseo y las propiedades de fallo de las muestras. Los resultados experimentales revelan que los huesos sanos soportan un 52 % más de carga que el hueso osteoporótico y la deformación a la que se obtiene la tensión máxima es un 33 % mayor en el hueso sano que en el hueso osteoporótico. Las muestras artrósicas se encuentran en un nivel intermedio entre ambos grupos, estando más cerca de los valores osteoporóticos que de los sanos, lo que nos indica que los huesos con patologías soportan menores niveles de carga y deformación que los huesos sanos. Las calibraciones de los modelos numéricos proporcionan unos valores de deformación de inicio ?? de fallo y de fallo completo ?? similares para las muestras con patologías, siendo diferente para las muestras sanas. Por lo tanto, para simular la fractura de una muestra ósea con osteoporosis se ha de considerar unas propiedades de fallo distintas, que resultan en un comportamiento más frágil que en un hueso sano. Este trabajo ha permitido cuantificar estos valores e identificar, como causa de las diferencias, las características morfométricas típicas de la microestructura de hueso trabecular no sano.

  • English

    In the present work, the mechanical behaviour of trabecular bone has been studied using experimental compression tests and finite element models. The samples were obtained from human femoral heads which are divided into three groups: healthy group (GS), osteoporotic group (GO) and arthrosis group (GA). Bones have been tested in the estimated stiffest direction and they have undergone quasistatic compression loads until fracture. The recorded response in the experimental tests has enabled the calibration of the numerical models, being able to estimate bone tissue Young’s modulus and failure properties. Experimental results reveal that healthy bones withstand 52 % more load than osteoporotic bones and the strain at which the maximum stress is obtained is 33 % greater in healthy bones than in osteoporotic bones. Arthrosic samples are at an intermediate level between the other two groups, being closer to the osteoporotic values than the healthy ones, which indicates that bones with pathologies withstand lower load levels. The calibration of the numerical models shows similar values for the failure onset strain ?? and the final failure strain ?? for pathological specimens, being different for healthy samples. Therefore, fracture simulation of an osteoporotic specimen needs the consideration of different failure properties, which result in a more brittle behaviour. This work quantifies these values and concludes that the cause of the differences is the morphometric features of the microstructure of non-healthy trabecular bone.